一种利用PHBV和竹粉共混材料去除水中硝酸氮的方法

摘要

本发明属于水处理方法技术领域，特别涉及一种利用PHBV和竹粉共混材料去除水中硝酸氮的方法。该方法是将粒径为0.3 cm~0.5 cm的PHBV和竹粉共混颗粒加入到固定床反应器中，填充率为30%~60%；反应器不加任何种泥，直接加入地下水启动；初始水力停留时间为17 h，待出水硝酸氮浓度达到2 mg/L~5 mg/L后，逐渐降低HRT。本发明中PHBV和竹粉共混的材料既作为生物膜的载体又作为反硝化的碳源，可以显著提高材料的生物降解性能，缩短反应器的启动时间，降低脱氮成本；固体碳源反应器不加污水处理厂的污泥而是用地下水直接驯化启动，可以避免污水厂污泥中致病菌的引入，尤其适用于地下水和饮用水的脱氮处理；反应器操作运行简单，容易控制，出水质量好。

说明书

技术领域

本发明属于水处理方法技术领域，特别涉及一种利用PHBV和竹粉共混材料去除水中硝酸氮的方法。 

背景技术

近年来，由于大量含氮的生活和工业污水排入水体，以及化肥农药的过度使用，地表水和地下水的硝酸盐氮污染已成为世界范围内水体污染的突出问题。异养反硝化是目前应用最为广泛的生物去除硝酸盐氮的方法（J. Van Rijn, Y. Tal, H. J. Schreier, Denitrification in recirculating systems: Theory and applications, Aquacultural Engineering 34(3) (2006) 364-376）。为保证反硝化反应的顺利进行，必须提供充足的碳源。另外，随着污水处理标准的提高，对总氮的排放标准日趋严格。我国现行的污水处理工艺普遍存在脱氮碳源不足的问题，这已经成为制约生物脱氮效率的关键问题。研究开发新型外加碳源及其脱氮特性，已经成为水处理领域急需解决的关键问题。 

现有的外加碳源通常可分为传统溶解性碳源和新型固体碳源两大类（邵留, 徐祖信, 尹海龙, 污染水体脱氮工艺中外加碳源的研究进展, 工业水处理 27(12) (2007) 10-14）。传统碳源以甲醇、乙醇、乙酸和葡萄糖等液态有机物为主。甲醇是目前应用和研究最为广泛的液体碳源，其脱氮效果好，污泥产率低；缺点是有毒性，运输不便且价格较高。采用溶解性碳源普遍存在的问题是碳氮比难以控制，尤其在进水硝酸盐有波动的情况下，碳源投加量的调控更加困难。碳源投加过量则出水中含有残留碳源；碳源不足则会在出水中形成亚硝酸盐的积累，都会对出水水质造成很大影响。固体碳源只有在微生物酶的作用下被分解后， 才能被反硝化菌利用，从而避免了传统工艺中液体碳源投加不易控制的问题，保证了出水水质，有利于水处理系统的稳定运行。 

用于反硝化脱氮的固体碳源主要有以下两类：（1）富含纤维素的物质：如棉花、麦秆、芦苇等天然植物，以及碎报纸等；（2）可生物降解聚合物：包括聚羟基脂肪酸（PHA）、聚己内酸酯(PCL)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、聚乳酸(PLA)等。相比于廉价的天然固体有机物，可生物降解聚合物脱氮过程出水质量好，色度和TOC较低，操作稳定，容易控制，但其价格较高，限制了其在水处理领域的应用。 

聚羟基丁酸戊酸共聚酯（PHBV）是一种用淀粉为原料，运用发酵工程技术生产出的生物聚酯。它具有良好的生物相容性、生物降解和生物可吸收性，目前已经在医用材料（缝线、骨钉）、薄膜材料（地膜、购物袋、堆肥袋）、一次性用品（笔、餐具）和包装材料方面有所应用。竹粉来自竹材加工过程废弃的竹材（竹屑、废竹），属植物纤维。 

发明内容

针对现有技术不足，本发明提供了一种利用PHBV和竹粉共混材料去除水中硝酸氮的方法。 

一种利用PHBV和竹粉共混材料去除水中硝酸氮的方法，其具体方案为： 

（1）将PHBV和竹粉共混后颗粒加入到反应器中，其中PHBV和竹粉的质量比为（1~4）: 1，所采用的反应器形式为固定床；从反应器底部进水，上部出水；在载体上部放置金属筛网以防止载体洗出； 

（2）反应器不加任何污泥接种，直接加入进水启动，初始水力停留时间（HRT）为17 h，待出水硝酸氮浓度达到2 mg/L ~5 mg/L时，保持5 d~7 d；然 后逐渐降低HRT，具体降低方案为：在12 h~14 h水力停留时间下保持2 d~4 d，然后在9 h~10 h水力停留时间下保持2 d~3 d，然后在7 h~8 h水力停留时间下保持4 d~6 d，然后在5 h~6 h水力停留时间下保持5 d~6 d，最后在2 h~4 h水力停留时间下保持2 d~3 d；每隔2 d~3 d检测出水的硝酸氮、亚硝酸氮、氨氮和TOC浓度。 

所述固定床反应器的填充率为35%~60%。 

所使用的固体碳源为PHBV和竹粉共混颗粒。 

所述PHBV和竹粉共混材料的粒径为0.3 cm~0.5 cm。 

所处理的水源为地下水，饮用水或城市污水处理厂的二级出水。 

本发明的有益效果为： 

（1）以PHBV与竹粉共混的材料作为固相反硝化碳源，可以显著提高材料的生物降解性能，缩短反应器的启动时间，降低脱氮成本； 

（2）固体碳源反应器不加污水处理厂的污泥而是用地下水直接驯化启动，可以避免污水厂污泥中致病菌的引入，尤其适用于地下水和饮用水的脱氮处理； 

（3）PHBV和竹粉共混的材料既作为生物膜的载体又作为反硝化的碳源，反应器操作运行简单，容易控制。 

附图说明

图1 为填充后的固定床反应器的示意图。 

图中标号：1-进水口；2-出水口；3-固定床反应器；4-集气罩；5-PHBV和竹粉共混颗粒；6-水浴进口；7-水浴出口；8-金属筛网。 

具体实施方式

本发明提供了一种利用PHBV和竹粉共混材料去除水中硝酸氮的方法，下 面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。本发明使用市售PHBV和竹粉。 

实施例1 

（1）共混材料中PHBV与竹粉的质量比为1:1，载体的填充率为35%；  

（1）固定床反应器的材质为有机玻璃，圆柱形，有效体积0.55 L，外部加水浴套管将反应器的温度维持在22 ^oC ~24 ^oC；如附图1所示，底部进水，上部出水；地下水取自北京市清华大学昌平校区；地下水的性质指标如表1所示； 

（3）反应器不加任何污泥接种，直接加入地下水启动，初始水力停留时间设为17 h；虽然地下水中的微生物比较贫瘠，但由于PHBV和竹粉的生物降解性能较好，反应器启动5天之后，出水硝酸氮的浓度就可以降到2.0 mg/L以下，氮的去除率可以达到85%以上。 

（4）逐渐降低HRT，具体方案如下：在13 h水力停留时间下保持2 d，然后在9.4 h水力停留时间下保持2 d，然后在7.4 h水力停留时间下保持6 d，然后在5.5 h水力停留时间下保持7 d，最后在2.8 h水力停留时间下保持3 d；不到一个月的时间（25 d）反应器启动成功；稳定运行状态下，在HRT为2.8 h，出水的硝酸氮浓度可以稳定降到3.2 mg/L以下，亚硝酸氮的浓度小于0.38 mg/L，氨氮的浓度均低于检出限，氮的去除率在80%以上；出水TOC的浓度在0.2 mg/L ~2.5 mg/L。 

实施例2 

（1）共混材料中PHBV与竹粉的质量为1:1，载体的填充率为45%； 

（2）固定床反应器的材质为有机玻璃，圆柱形，有效体积0.55 L，外部加水浴套管将反应器的温度维持在22 ^oC ~24 ^oC；如附图1所示，底部进水，上部 出水；地下水取自北京市清华大学昌平校区；地下水的性质指标如表1所示； 

（3）反应器不加种泥，直接加入地下水启动，初始停留时间设为17 h；反应器启动5天之后，出水硝酸氮的浓度就可以降到2.0 mg/L以下，氮的去除率可以达到85%以上； 

（4）逐渐降低HRT，具体方案为：在12 h水力停留时间下保持2 d，然后在10 h水力停留时间下保持2 d，然后在7 h水力停留时间下保持5 d，然后在5 h水力停留时间下保持5 d，最后在2.9 h水力停留时间下保持3 d；22 d后反应器启动成功，在HRT为2.9 h，出水的硝酸氮浓度可以稳定降到2.4 mg/L以下，亚硝酸氮的浓度小于0.38 mg/L，氨氮的浓度小于0.02 mg/L，总氮的去除率在83%以上。出水TOC的浓度在0.2-7.3 mg/L。 

实施例3 

（1）共混材料中PHBV与竹粉的质量比为3:1，载体的填充率为35%； 

（2）固定床反应器的材质为有机玻璃，圆柱形，有效体积0.55 L，外部加水浴套管将反应器的温度维持在22 ^oC ~24 ^oC；如附图1所示，底部进水，上部出水；地下水取自北京市清华大学昌平校区；地下水的性质指标如表1所示； 

（3）反应器不加任何污泥接种，直接加入地下水启动，初始停留时间设为17 h；反应器启动8天之后，出水硝酸氮的浓度可以降到2.0 mg/L以下，氮的去除率在85%以上。 

（3）逐渐降低HRT，具体方案为：在14 h水力停留时间下保持3 d，然后在10 h水力停留时间下保持3 d，然后在8 h水力停留时间下保持7 d，然后在6 h水力停留时间下保持5 d，最后在3 h水力停留时间下保持3 d；29天后反应器启动成功；在HRT为3 h时，出水的硝酸氮浓度可以稳定降到3.5 mg/L以下， 亚硝酸氮的浓度小于0.35 mg/L，氨氮的浓度均低于检出限，总氮的去除率在75%以上；出水TOC的浓度在0.2 mg/L~1.3 mg/L。 

实施例4 

（1）共混材料中PHBV与竹粉的质量比为3:1，载体的填充率为60%； 

（2）固定床反应器的材质为有机玻璃，圆柱形，有效体积0.55 L，外部加水浴套管将反应器的温度维持在22 ^oC~24 ^oC；如附图1所示，底部进水，上部出水；地下水取自北京市清华大学昌平校区；地下水的性质指标如表1所示； 

（3）反应器不加任何污泥接种，直接加入地下水启动，初始停留时间设为17 h；反应器启动6天之后，出水硝酸氮的浓度可以降到2.0 mg/L以下，氮的去除率在85%以上； 

（4）逐渐降低HRT，具体方案如下：在12 h水力停留时间下保持2 d，然后在9 h水力停留时间下保持2 d，然后在7 h水力停留时间下保持5 d，然后在5 h水力停留时间下保持6 d，最后在2 h水力停留时间下保持3 d；25天后反应器启动成功；在HRT为2 h时，出水的硝酸氮浓度可以稳定降到3.0 mg/L以下，亚硝酸氮的浓度小于0.3 mg/L，氨氮的浓度均低于检出限，总氮的去除率在80%以上；出水TOC的浓度在0.2 mg/L~1.5 mg/L。 

表1 地下水的性质指标数据表